氣體凈化
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- 多晶工藝學11111一、氣體的種類及簡單性質
在半導體工業中，常用的氣體有氫氣、氮氣、氬氣等。氫氣是最常用的一種氣體。在自然界中，氫氣主要以化合狀態存在。它是一種無色、無味的氣體。分子量為2.016，比一切元素都輕，比空氣輕14.3倍。氫氣能被金屬吸收，能通過熾熱的鐵、鉑等，在240℃時能透過鈀，常溫下能透過橡皮，不能透過玻璃。氫氣在水中的溶解度很小，在0℃時，一個體積的水僅溶解0.02體積的氫氣。氫氣在鎳、鈀內溶解度大，一個體積的鈀能溶解幾百體積的氫氣。氫氣具有較大的擴散速度和很高的導熱性，導熱性比空氣大7倍。氫氣能自燃，但不能助燃，在常溫時不活潑，但在高溫或催化劑存在時，十分活潑，能燃燒爆炸，在700℃高溫時會發生爆炸，產生大量的熱量。
二、氣瓶及管道的標記
為了安全的使用和更快的識別氣體，對于不同的氣體，所用氣瓶的類型以及運輸管道的標記也不同，其規定見下表。
氣體名稱 氣瓶及輸送管道顏色 字樣 字樣顏色
氫 氣 深綠 氫 紅
氮 氣 黑 氮 黃
工業氬氣 黑 工業氬氣 天蘭
純 氬 灰 純氬氣 綠
氧 氣 天 蘭 氧 黑
空 氣 黑 空氣 白
二氧化碳 黑 二氧化碳 黃
三、氣體凈化的意義
在多晶硅的生產過程中，作為還原劑和載流氣體的氫氣，不僅需要量大，而且對它的純度要求也很高，一般為99.9999%以上，露點－50℃以下，含氧量少于5ppm。硅外延生長中，對氫氣純度要求更高，而工業氫氣的純度比較低，雜質比較多，用電解食鹽水法生產的氫氣純度約為98%以上，含有H20、O2、CO、CO2、Cl2等雜質。用電解水生產的氫氣純度比較高約為99.5～99.9%，含有H20、O2、CO、CO2、CH4、N2等雜質。
氫氣中的雜質含量過高，生產出來的多晶硅質量等級會降低，甚至造成廢品。O2＞5 ppm，露點＞－40℃，會造成多晶硅夾層現象，而多晶硅產生夾層對單晶硅的生產會帶來很大影響，甚至不能成晶，露點過低還會造成設備、管道堵塞，影響正常生產。CO、CO2會造成H2還原時硅在氧化的襯底上沉積生產多晶硅。微量的CH4在高溫條件下生產炭化硅微粒或引入碳原子。
由上所述，氣體凈化對提高半導體硅料的質量有著十分重要的意義。
第二節氣體凈化的基本知識
在氣體凈化技術中，經常綜合運用以下幾個方面的知識：
1、用吸濕性液體干燥劑（液堿、硫酸等）進行吸收。
2、用固體干燥劑（KOH氫氧化鉀、NaOH、CuSO4硫酸銅等）進行化學吸收。用硅膠、分子篩等進行物理吸收。
3、用催化劑（105催化劑主要用于氫氣、氮氣和惰性稀有氣體的催化脫氧。當用于非氫氣體脫氧時，往往要補充適量氫氣。等）進行化學催化。
4、用冷媒或冷劑（液氮等）進行低溫冷凍。
下面概要介紹吸收、吸附、化學催化的一些基本知識。
一、吸收
吸收多指被吸收的物質從氣相轉入液相，以物理溶解于液體或與液體起化學反應。
在一些化工廠中，常用液堿或硫酸作為吸濕性液體。液堿用于吸收酸性氣體如：CO、CO2等，硫酸用于吸收水份。一般用硫酸來吸收氫氣中的水份是不合適的，因為硫酸不僅會對管道有腐蝕性，而且還會揮發出SO2，增加氣體中的雜質，這種含S的雜質會造成分子篩、105催化劑的中毒。
二、吸附(……)
吸附一般是指比較稀疏的物質被吸附劑（多半為固體）的表面所吸收的現象，吸附一般為放熱過程。
什么叫吸附呢？在某些物質的界面上從周圍介質中把能夠降低界面張力的物質自動地聚集到自己的表面上來，使得這種物質在相表面上的濃度大于相內部的濃度，叫做吸附。
按作用力的性質，氣體的吸附可分為兩類：
1、物理吸附
物理吸附即無選擇（有的稱它為范德華吸附），任何固體皆可吸附任何氣體。吸附量會因固體吸附劑及被吸附物質的種類的不同而相差很多。易液化的氣體（高沸點）易被吸附，吸附可以是單分子層或多分子層的。吸附速度大且不受溫度影響，吸附不需要活化能，沒有電子轉移，化學鍵的生成與破壞、原子的重排等。生產的吸附只是物理吸附（范德華力）。
2、化學吸附
化學吸附即有選擇性吸附（有的稱為活性吸附）。一些吸附劑只對某些氣體有吸附作用。它的吸附速度較小，溫度升高吸附速度增加，這就是說，這類吸附和化學反應一樣，需要一定的活化能。因此，這類吸附實質上是化學反應。
三、吸附劑
一切物體都有吸附作用，但不是均可作為吸附劑。目前我國半導體工業中，最廣泛應用的吸附劑是硅膠和分子篩。吸附劑使用之前，須經過特殊處理，增加它的活性。這種處理稱為活化。經過活化的吸附劑，不但增加了單位面積的活性，而且增加了表面積。最常用的活化方法是加熱，這是因為加熱過程中，吸附劑表面的雜質遇熱時常可以汽化，將其驅走，從而露出干凈的表面。決定吸附劑活性的因素是很多，如表面積的大小、表面結構、孔隙大小、形狀、分布、表面干凈程度，這些因素決定于吸附劑的制備方法和活化方法。
四、化學催化
催化反應 存在于氣體中的有害雜質，有時不能靠物理方法從氣體中除去，而是借助于催化劑的作用，使氣體中的雜質被吸附在催化劑的表面，使雜質與氣體中的其它組分相互起化學反應，轉化為無害的化合物。在催化反應中，催化劑的作用是控制反應速度，或使反應沿著特定的途徑進行。
一般來說催化劑從理論上來說可以無限期使用，但在實際工作中催化劑會損壞或失去活性，所以必須更換或活化來增加它們的活性。存在于氣體中的雜質而引起的失活現象，通常稱為催化劑中毒。對催化劑的要求是具有一定的活性和抗催化劑中毒的能力，同時還必須足夠堅固。
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